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에너지/환경 [물 이용ㆍ물 처리] 분야 신기술 개발 및 기술 토픽

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-07-29 00:13:00
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○ 신종 코로나 바이러스 감염증의 세계적인 유행으로 인해 감염 상황을 모니터링하는 방법으로서, 하수 속의 신종 코로나 바이러스 농도를 파악하는 하수기반 역학의 유용성이 주목받게 되었다.

- 기존의 감염자 수 파악 방법은, 검사 대상이 중증자에게서 무증상자로 확장됨에 따라 영향을 받는 지표이며, 주간 인구 및 주민 등록을 하지 않은 인구 등 분모가 되는 인구에 따라 좌우되기 때문에 정책 판단의 지표로서는 불완전하다.

- 한편, 하수 속의 바이러스 농도는 증상이 발생하기 전에 농도가 높아지기 때문에, 조기에 감염을 예측할 수 있다는 점, 그리고 검사 대상 등의 시책 차이에 상관없이 지역 간 비교가 가능하다는 점 등, 몇 가지 점에서 기존의 지표에 비해 유리한 부분을 갖고 있다.

- 또한 신종 코로나 바이러스 문제가 종식된다 해도, 새로운 감염증에 직면하게 될 가능성도 있으며, 재해 시 위생 상태를 파악하는 등, 다양한 목적에 따라 하수역학이 유용하게 활용될 것으로 예상된다.

- 필요한 기술로는, 하수 속의 병원 미생물 DNA 또는 RNA를 추출하는 기술과 Real-time PCR법에 의한 특정 유전자의 특이적 검출법 등이 있으며, 기본적으로는 각각 확립하고 있는 요소 기술을 조합하게 될 것이다.

- 하지만 실제로는 조사 대상에 따라 구분하여 사용해야 하며, 감염증의 유행에 기동적으로 대응하는 연구와 인재가 국제적으로 부족한 상황이다. 또한 국내와 해외에서의 조사를 신속하게 할 수 있도록, 평상시부터 해당 분야에 특화된 인재와 기술, 협력 체제를 갖추어야 한다.

 

○ 정수 처리 기술을 급속 여과법이 아니라, 수처리 성능이 더욱 뛰어나며 확실한 여과 방식으로 바꾸는 데 대한 검토가 이루어졌으며, 유지 관리 비용을 줄이기 위해 대형화, 효율화가 주목받고 있다. 특히 원수 수질이 양호하지 않은 지표수에 적용하기 위해, 각국의 제조사가 힘을 쏟고 있다.

- 예를 들어, 기존의 폴리머 막이 아니라 세라믹 막을 이용하는 기술이 적용되고 있으며, 모노리스형 원통 형태의 막 유닛을 집적한 대형 유닛을 개발하고 있다. 세라믹 막은 일본의 제조사가 기술적으로 강세에 있으며, 국내에서는 일부 식품산업이나 정수장에 설치된 경우를 제외하고는 매우 미미한 것으로 알려져 있다.

- 현재 국내 분리막 주요 기업들은 세라믹과 같은 무기 소재 분리막에 관심이 적은 편이다. 이는 국내 세라믹 분리막 시장이 크게 형성되지 않아서 적극적인 진출을 고려하고 있지 않은 것으로 보인다. 그에 반해, 수처리 분야가 아닌 DPF처럼 대기 환경 개선용 세라믹 필터를 생산하던 압출 기업들은 글로벌 트렌드와 맞물려서 수처리 시장 진입을 위한 노력을 하고 있다. 구체적으로는 아이비머티리얼즈(IB Materials)가 점토 결합 탄화규소 기반 DPF 생산에서 납석 기반 분리막 생물 반응기(MBR)용 세라믹 분리막을 개발하여 시장 진입을 준비 중이다.

 

○ 해수 담수화 기술의 에너지 소비량 및 유지 관리 비용의 절감 역시 계속해서 과제라 할 수 있다. 더욱 내구성이 뛰어난 막(로버스트 막)이나 투과성이 높은 막의 개발이 주목을 받아, 폴리머에 탄소 입자를 혼합시키는 등의 기술이 개발되고 있다.

 

○ 분산형 수처리 기술의 사례로서, P&G의 분말형 간이 정수제 PUR의 시책이 세계적으로 잘 알려져 있다. 정수제 PUR 한 봉지면 10L의 물을 정화할 수 있어, 물이 부족한 지역의 아이들에게 안전한 음용수를 제공할 수 있다. 지금은 선진국에서 1 for 1 또는 buy 1 give 1이라 불리는 기부 구매 이벤트(동사 제품 1개를 구입하면 한 봉지를 기부한다)를 실시하여, SGDs에 공헌하는 사회 공헌형 비즈니스 모델로서 높은 평가를 얻고 있다.

- 흡착을 이용한 수처리의 효율 및 경제성을 향상시키기 위해서는 흡착속도, 선택성, 흡착용량, 재생효율 등이 보다 향상된 흡착제가 꾸준히 개발될 필요가 있다. 이를 위하여 흡착제의 표면 특성 최적화 기술, 나노물질 생산기술 등이 중점적으로 연구되어야 한다. 또한, 재생의 경제성 향상 및 재생 시 유해물질 발생 최소화를 위하여 chemical free 흡착제 재생기술, 흡착 물질을 통한 자원생산 기술 등을 개발하여야 한다. 흡착제의 잔여 수명 관련 정보를 사용자에게 제공하기 위한 용량 감지 기술도 추가 개발이 필요한 부분이다.

- 이온 흡착제를 응용하는 분산형 수처리 기술을 살펴보면, 일본 신슈 대학이 독자적인 결정 성장 기술을 통해 원자 간 간격을 조정한 이온 흡착제를 개발하고 있다. 그 높은 중금속 이온 제거 성능을 살려 휴대형 정수 보틀 NaTiO를 사업화하였고, 산학의 연계 성과로서 주목받고 있다.

 

○ UV 조사 기술은 염소 내성이 있는 크립토스포리듐 대책으로서 매우 효과적인데, 기존의 UV 램프는 수은을 이용한다는 점이 문제시되었다. 이에 따라, UV-LED가 제품화 단계까지 개발되었고, 사회에 활용될 것으로 기대된다.

 

○ 원수가 가진 삼투압을 활용하여 가압하지 않고 물을 투과시키는 정침투(Forward Osmosis : FO) 기술이 개발되고 있다. FO 막 자체는 RO용 막과 거의 같지만, 유닛화 방식이나 정침투에 사용할 드로우 용액을 잘 선정해야 한다.

 

○ 해수와 담수의 농도 차를 이용하여 RO막이나 전기 투석막을 사용하여 발전하는 시스템이 개발되고 있다. 이것은 기존의 에너지를 이용하여 해수를 가지고 고농도 해수와 담수를 제조하는 시스템을 역으로 이용하는 시스템이며, 저탄소화 사회의 시책으로서 주목받고 있다.

 

○ 질소 제거 이론은 어느 정도 완성되었으며, 실증실험 단계에 접어든 기술도 많이 있다.

- 최근 국내에서는 주식회사 부강테크(수처리 전문기업)가 2020년 특허기술상 세종대왕상을 수상했다. 이번에 선정된 특허는 미생물인 아나목스(Anammox)를 이용하여 폐수처리에 드는 산소를 최소화하고 외부탄소원의 투입 없이도 폐수의 질소를 제거하는 기술이다.

- 종래기술 대비 산소공급량 65%, 외부탄소원 투입 100%, 슬러지 생산량 80%, 소요부지 70% 감소 등 하수처리 및 유지관리 비용을 최대 80% 절감할 수 있는 하폐수 처리 분야의 차세대 핵심 기술로 평가받고 있다.

 

<그림> 부강테크의 ‘고농도 질소 오ㆍ폐수 처리장치’

주) 부강테크가 개발한 암모늄 산화 박테리아 그래뉼 생성조를 연계한 회분식 부분 아질산화 반응조 및 혐기성 암모늄 산화를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치

자료 : 특허청

 

- 일본 환경성 ‘CO2 배출 삭감 대책 강화 유도형 기술개발ㆍ실증사업’의 ‘혁신적인 에너지 절약ㆍ에너지 창출 생활 배수 처리 시스템 개발’(2017~2019년)에서는 미츠비시 화공기의 하수 속 유기물의 메탄가스화와 아나목스 반응(혐기성 암모니아 산화)에 의한 질소 제거를 조합한 혐기성 MBR 방식이 개발되었다. 아나목스 반응을 이용하는 질소 제거 수처리 기술 분야는 여러 국가들에서도 공적인 연구 자금의 지원이 이루어지고 있다. 한편, 기존의 질화탈질소형 질소 제거 기술에서도 AI 기술을 활용하여 생물 반응조에 공급하는 공기량을 제어하는 기술이 발전되고 있다.

 

○ 미생물 연료 전지와 관련해서도, 계속해서 폐수 처리와 발전을 동시에 실시하는 연구가 이루어지고 있다.

 

○ 우리나라의 상수도시설과 하수도시설은 보급된 지 각각 70년, 40년을 경과했다. 하수도시설은 비교적 늦게 도입되어 노후도가 심하지 않지만 상수도시설은 오래된 만큼 노후화된 시설도 많다. 특히 보급 후 30년 이상 경과한 상수관로는 전체 상수관의 14%를 차지한다.

- 2017년 시작된 노후상수도 정비사업은 당초 총사업비 3조 962억 원(국고 1조 7천880억 원)을 들여 133개 관련 사업을 2028년까지 추진하는 것으로 돼 있었으나, 2019년 붉은 수돗물 사태 등을 계기로 완료 시기를 2024년까지 앞당기기로 했다.

- 노후상수도 정비사업은 물 분야의 핵심 그린뉴딜 사업 중 하나로, 환경부는 사업이 완료될 경우 연간 1억 5천800만t 이상의 물과 약 3만9천t의 온실가스를 절감할 수 있을 것으로 추정하고 있다.

 

○ 또한 다른 국가들에서도 수도 인프라의 노후화가 진행되고 있다. 가까운 일본에서는 고도 성장기에 정비된 상하수도 관로가 노후화되고 있다. 노후화와 더불어 자연재해로 인한 누수ㆍ파손 사고가 일본 각지에서 발생하고 있어, 수도 인프라의 내구 상황을 간단하게 확인하고자 하는 니즈가 높아지고 있다.

- 일본의 Fracta,Inc는 AI/기계학습을 활용하는 수도관 열화 예측 소프트를 개발하여, 미국과 일본에서 각 수도 배관의 파손 확률을 분석하고, 우선적으로 갱신하는 진단 서비스를 실시하고 있어, 수도 분야의 디지털 트랜스포메이션 사례로서 주목받고 있다.

 

○ 배수에 포함되는 영양염분, 에너지의 회수, 효과적인 이용 기술에 대해 다양한 검토 및 시험적 연구가 국내외에서 이루어지고 있다.

 

 

[기후변화대응 관련 유망 환경 신기술 개발 동향과 향후 전망] 보고서 상세 보기

https://www.irsglobal.com/shop_goods/goods_view.htm?category=04000000&goods_idx=84942&goods_bu_id=

 

[2021 물 산업 실태와 사업전망] 보고서 상세보기
 
 
 
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